使用内联相干成像(ICI)监视和/或控制摆动处理的系统和方法技术方案

系统和方法可以用于监视和/或控制在摆动图案中移动工艺光束的材料处理，例如摆动焊接工艺。当至少一个工艺光束根据工件的处理部位(例如，焊接部位)上的摆动图案移动时，内联相干成像(ICI)系统将成像光束至少部分地独立于工艺光束移动到摆动图案上的一个或多个测量位置并在那些位置上获得ICI测量值(例如，深度测量值)。ICI测量值可以用于例如评估焊接工艺期间的小孔和/或熔体池特性。尽管本申请描述了摆动焊接工艺，但是本文描述的系统和方法也可以与在包括但不限于增材制造、标记和材料去除的处理期间激光或其他能量光束被摆动或抖动的其他材料处理应用一起使用。动的其他材料处理应用一起使用。动的其他材料处理应用一起使用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用内联相干成像(ICI)监视和/或控制摆动处理的系统和方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2019年5月28日提交的标题为“使用内联相干成像(ICI)监视和/或控制摆动焊接的系统和方法”的美国临时申请序列号62/853,368的权益，并要求于2018年7月19日提交的标题为“利用内联相干成像对铜和铝合金的摆动焊接”的美国临时申请序列号62/700,606的权益，在此通过引用将该两件美国临时申请全部并入本文。


[0003]本公开涉及监视和/或控制材料处理，并且更具体地涉及使用内联相干成像(ICI)监视和/或控制在摆动图案中移动工艺光束的材料处理(例如，摆动焊接)的系统和方法。

技术介绍

[0004]虽然用于工业应用的非铁合金的激光焊接正在扩大，但是也提出了一些挑战。例如，铝和铜合金对近红外工业激光波长的低吸收阻止了小孔(keyhole)的初始形成，这对于将能量有效地联接到工件中可能是必需的。一旦建立了小孔，熔体的低粘度(例如，与铁合金相比)可能会造成工艺稳定性的降低和缺陷的可能性的提高。
[0005]对于诸如铝、铜和其他非铁合金之类的具有挑战性的材料，将高亮度光纤激光源(例如，单模/低模)与动态光束偏转(或光束摆动)结合起来可能是一种在精确控制材料表面上的激光功率分布的同时在光物质相互作用部位保持高水平的辐射强度的有效方法。一种用于更快速、更精确地移动光束的“摆动焊接”技术包括使用可移动的反射镜为摆动图案提供光束，例如，如美国专利申请公开号2016/0368089中更详细地公开的那样，该美国专利申请是共有的并通过引用完全并入本文。这种摆动焊接工艺可以改善工艺稳定性，特别是在焊接铜和铝时，并且还可以提供减少的飞溅和孔隙率以及对完成的焊接几何形状的额外控制的度。因此，稳定、可重复和可控制的结果已被证明具有广泛的工业应用潜力。
[0006]对产生这些工业上有利的最终结果的小孔和熔体池动力学的更详细的研究对于进一步利用摆动焊接技术的价值是宝贵的。然而，通过摆动焊接引入的额外自由度可能会使使用通过基于光电二极管的传感器或高速相机进行工艺监视来记录小孔动力学的任务变得更加困难。

技术实现思路

[0007]根据一个方面，一种激光材料处理系统包括：材料改性光束源，该材料改性光束源用于产生工艺光束；以及处理头，该处理头联接到材料改性光束源并且包括至少一个工艺光束扫描致动器，该至少一个工艺光束扫描致动器用于在工件的处理部位上根据摆动图案沿至少一个轴线来引导和移动工艺光束。内联相干成像(ICI)系统光学地联接到处理头，并且包括至少一个成像光束扫描致动器，该至少一个成像光束扫描致动器用于至少部分地独立于工艺光束使成像光束定位。控制系统至少控制材料改性光束源、工艺光束扫描致动器
和成像光束扫描致动器。控制系统被编程为使处理头在摆动图案中扫描工艺光束，并使成像光束扫描致动器将成像光束与摆动图案协同地移动到处理部位上的多个测量位置。
[0008]根据另一方面，提供了一种用于监视摆动焊接工艺的方法。该方法包括：将工艺光束和来自内联相干成像(ICI)系统的至少一个成像光束引导到工件的焊接部位；将工艺光束在工件的焊接部位上的摆动图案中移动；将至少一个成像光束至少部分地独立于工艺光束移动到焊接部位上的多个测量位置；以及当工艺光束在摆动图案中移动时，从多个测量位置获得ICI测量值。
附图说明
[0009]通过阅读以下结合附图的具体实施方式，将更好地理解这些以及其他特征和优点，在附图中：
[0010]图1是与本公开的实施例一致的激光焊接系统的示意性框图，该激光焊接系统提供摆动焊接图案并且通过使用内联相干成像(ICI)被监视。
[0011]图1A是与本公开的实施例一致的出于摆动目的由双反射镜提供的具有相对较小移动范围的聚焦激光光束的示意图。
[0012]图2A至图2D是示出了与本公开的实施例一致的不同的摆动图案以及通过那些摆动图案形成的样品焊缝的示意图。
[0013]图3A是与本公开的实施例一致的标准焊缝的显微照片。
[0014]图3B是使用摆动图案形成的焊缝的显微照片。
[0015]图4和图5是与本公开的实施例一致的具有组装在一起的准直器模块、摆动器模块和芯块模块并发射聚焦光束的激光焊接头的立体图。
[0016]图6是与本公开的实施例一致的可以用于监视摆动焊接的ICI系统的示意性框图。
[0017]图7是示出了与本公开的实施例一致的使用ICI监视摆动焊接的方法的流程图。
[0018]图8是通过利用光栅扫描图案遍及焊接部位移动成像光束并通过包含工艺光束摆动图案来使用ICI监视摆动焊接的一个示例的图示。
[0019]图9示出了具有圆形摆动图案和可变摆动直径的不锈钢焊缝的平均深度图，该可变摆动直径是通过光栅扫描如图8所示的成像光束形成的。
[0020]图10是通过沿着工艺光束摆动图案将成像光束移动到多个固定的测量位置来使用ICI监视摆动焊接的另一个示例的图示。
[0021]图11是在图10所示的固定测量位置处测得的熔深与焊缝距离的关系图。
[0022]图12是在如图10所示的固定测量位置处测得的平均熔深的条形图。
[0023]图13是通过沿着摆动图案在与工艺光束的方向相反的方向上移动成像光束来使用ICI监视摆动焊接的另一个示例的图示。
[0024]图14是当成像光束如图13所示那样移动时测得的熔深与沿焊缝距离的关系图。
[0025]图15示出了当成像光束如图13所示那样移动时在不同焊接速度下的平均熔深与旋转角度的关系图。
具体实施方式
[0026]与本公开的实施例一致的系统和方法使用内联相干成像(ICI)来监视和/或控制
在摆动图案中移动工艺光束的材料处理，例如摆动焊接工艺。当至少一个工艺光束根据摆动图案在工件的处理部位(例如，焊接位置)上移动时，ICI系统将至少部分独立于工艺光束的成像光束移动到摆动图案上的一个或多个测量位置并在这些位置处获得ICI测量值(例如，深度测量值)。(一个或多个)ICI测量值可以用于例如评估焊接工艺期间的小孔和/或熔体池特性。尽管本申请描述了摆动焊接工艺，但是本文描述的系统和方法也可以与在包括但不限于增材制造、标记和材料去除的处理期间激光或其他能量光束被摆动或抖动的其他材料处理应用一起使用。
[0027]在一个实施例中，使成像光束移动以在包围摆动图案的多个测量位置上在扫描图案(例如，光栅扫描)中扫描焊接部位，以形成焊接部位的深度图。在另一个实施例中，一个或多个成像光束被移动到摆动图案上的一个或多个固定测量位置。在另一个实施例中，成像光束沿着摆动图案在与工艺光束的移动相反的方向上移动。在又一个实施例中，成像光束沿着摆动图案在工艺光束的方向上但是独立于工艺光束移动，以例如提供动态偏移控制和/或循环对准校正。
[0028]如本文所使用的，“摆动”是指激光光束的在由小于10
°
的扫描角度或由
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种激光材料处理系统，包括：材料改性光束源，所述材料改性光束源用于产生工艺光束；处理头，所述处理头联接到所述材料改性光束源并且包括至少一个工艺光束扫描致动器，所述至少一个工艺光束扫描致动器用于在工件的处理部位上根据摆动图案沿至少一个轴线来引导和移动所述工艺光束；内联相干成像系统，所述内联相干成像系统光学地联接到所述处理头，并且所述内联相干成像系统包括至少一个成像光束扫描致动器，所述至少一个成像光束扫描致动器用于至少部分地独立于所述工艺光束使所述成像光束定位；以及控制系统，所述控制系统用于至少控制所述材料改性光束源、所述工艺光束扫描致动器和所述成像光束扫描致动器，其中，所述控制系统被编程为使所述处理头在所述摆动图案中扫描所述工艺光束，并且所述控制系统被编程为使所述成像光束扫描致动器将所述成像光束与所述摆动图案协同地移动到所述处理部位上的多个测量位置。2.根据权利要求1所述的激光材料处理系统，其中，所述处理头是用于根据焊接部位上的所述摆动图案引导和移动所述工艺光束的焊接头。3.根据权利要求1所述的激光材料处理系统，其中，所述材料改性光束源是光纤激光器。4.根据权利要求1所述的激光材料处理系统，还包括至少一个运动台，所述至少一个运动台用于在所述工艺光束在所述工件上的所述摆动图案中移动的同时使所述处理头和所述工件中的至少一者相对于彼此平移。5.根据权利要求1所述的激光材料处理系统，其中，所述内联相干成像系统在所述至少一个工艺光束扫描致动器的下游光学地联接到所述处理头。6.根据权利要求5所述的激光材料处理系统，其中，所述控制系统被编程为使得所述成像光束扫描致动器使所述成像光束沿着所述摆动图案在与所述工艺光束的移动相反的方向上并且与所述摆动图案同步地移动。7.根据权利要求5所述的激光材料处理系统，其中，所述控制系统被编程为使得所述成像光束扫描致动器使所述成像光束沿着所述摆动图案在所述工艺光束的方向上并且与摆动图案同步地移动。8.根据权利要求1所述的激光材料处理系统，其中，所述内联相干成像系统在所述至少一个工艺光束扫描致动器的上游光学地联接到焊接头。9.根据权利要求1所述的激光材料处理系统，其中，所述控制系统被编程为使所述成像光束扫描致动器移动所述成像光束，使得所述成像光束在至少部分地包围摆动图案的扫描图案中扫描所述处理部位。10.根据权利要求1所述的激光材料处理系统，其中，所述控制系统被配置为响应于来自所述内联相干成像系统的测量值来控制所述工艺光束扫描致动器以调整摆动几何形状、摆动周期、摆动速度和摆动幅度中的至少一者。11.根据权利要求1所述的激光材料处理系统，其中，所述控制系统被配置为响应于来自所述内联相干成像系统的测量值来控制所述工艺光束的功率。12.根据权利要求1所述的激光材料处理系统，其中，所述工艺光束扫描致动器被配置为使所述工艺光束移动，所述工艺光束在所述工件处的最大光束位移为
±
30mm。
13.根据权利要求1所述的激光材料处理系统，其中，所述工艺光束扫描致动器被配置为使所述工艺光束移动
±5°
的最大光束角位移以提供摆动幅度。14.根据权利要求1所述的激光材料处理系统，其中，所述至少一个工艺光束扫描致动器和所述至少一个成像光束扫描致动器选自由检流计扫描镜、多边形扫描镜、基于MEMS的扫描镜、压电扫描镜和基于衍射的光束扫描器组成的组。15.根据权利要求1所述的激光材料处理系统，其中，所述控制系统被编程为使所述成像光束扫描致动器移动所述成像光束，使得所述成像光束根据所述工艺光束在所述摆动图案内的位置，在所述工件的表面处从所述工艺光束动态地偏移。16.根据权利要求1所述的激光材料处理系统，还包括辅助测量系统，所述辅助测量系统被配置为测量工艺辐射。17.根据权利要求16所述的激光材料处理系统，其中，所述辅助测量系统测量100nm至1mm的光谱带内的工艺辐射。18.根据权利要求16所述的激光材料处理系统，其中，所述辅助测量系统包括光学元件，以相对于所述工艺光束执行空间局部测量。19.根据权利要求18所述的激光材料处理系统，其中，所述辅助测量系统被配置为基于来自所述内联相干成像系统的至少一个输出，在从所述工艺光束动态地偏移的测量位置处执行所述空间局部测量。20.根据权利要求16所述的激光材料处理系统，其中，所述辅助测...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：